In attesa dell'eliminazione definitiva delle tradizionali lampade a incandescenza, le soluzioni ad alto risparmio energetico attualmente disponibili sono oggi le lampade fluorescenti compatte e le lampade a Led. Le lampade Cfl a spirale sono nate nel 1976 e hanno oggi raggiunto la maturità in termini di efficienza luminosa nonché in termini di durata, che può essere di 6-12 volte maggiore rispetto ai modelli a incandescenza, a seconda della modalità di utilizzo. In effetti, di recente, buona parte dell'attenzione dei costruttori è stata rivolta a rendere compatibile il formato di queste lampade con i modelli esistenti ad incandescenza. Al contrario, i Led “bianchi” (in realtà, Led blu coadiuvati da un fosforo di conversione) sono ancora in fase di miglioramento, mentre aumenta la luminanza specifica e vengono periodicamente annunciate una maggiore efficienza di conversione e un miglior controllo puntuale del colore. Di conseguenza, le migliori lampade a Led possono oggi offrire durate pari ad almeno 25 volte rispetto alle tradizionali lampade a incandescenza, con un'efficienza che supera le prestazioni delle lampade Cfl. In quanto a maturità, il risparmio energetico delle lampade Cfl ha raggiunto un livello stabile e i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnologia - il riscaldamento lento e il contenuto di mercurio - sono ben noti. Ciò che forse non è noto è che mentre le lampade a incandescenza vengono viste come dei carichi resistivi per il circuito di alimentazione in corrente e presentano un fattore di potenza quasi perfetto, il reostato elettronico presente in una Cfl residenziale è altamente capacitivo e possiede un fattore di potenza tipico di 0,5-0,6. Questo significa che mentre l'utente paga solo per i watt erogati, la rete elettrica deve in realtà generare i volt-ampere corrispondenti. Ad esempio, una lampada Cfl da 13 W con un fattore di potenza di 0,5 rappresenta un carico da 26 volt-ampere, che è leggermente inferiore al 50% dei voltampere di una lampada a incandescenza da 60 W. Questo basso fattore di potenza è simile a quello dei caricabatterie dei telefonini, ma con una corretta progettazione gli alimentatori possono facilmente raggiungere fattori di potenza più elevati. Quando l'ente governativo britannico Energy Saving Trust preparava le linee guida per le lampade e gli impianti di illuminazione a Led, ha riconosciuto questi limiti nelle lampade a Led alimentate dalla rete elettrica in corrente alternata e ha fissato un fattore di potenza minimo di 0,7 con un obiettivo a lungo termine di superare la soglia dello 0,9. Nei sistemi di illuminazione a Led con potenza superiore a 15 W, ha stabilito 0,9 come fattore di potenza minimo. Ciò impone nuove problematiche nella progettazione dell'elettronica di comando.
I vincoli dei Led
I Led possono essere modellati come dei generatori di tensione a bassa resistenza interna pertanto un azionamento controllato in corrente è la scelta ideale. In effetti, i costruttori di Led specificano le proprietà ottiche dei propri dispositivi a Led fissando dei precisi livelli di corrente costante. Questo vincolo della corrente costante è in realtà un controllo della conversione di potenza più semplice di quello utilizzato nei tubi a scarica di gas che devono invece essere “colpiti” affinché i vapori di mercurio presenti nel tubo possano accendersi. Per ottenere una certa luminanza, più Led vengono collegati in serie (stringa) al fine di aumentare la resa luminosa e garantire al contempo che la corrente che attraversa ciascun Led resti la stessa. Il compito primario dell'elettronica di comando del Led è di convertire la corrente alternata di rete in un generatore di corrente pilotato operante nella gamma delle tensioni dirette del Led che possono variare in base alla temperatura e al processo utilizzato. In questo senso, il progetto fondamentale di un caricabatteria per cellulare è simile a un semplice circuito di pilotaggio per Led, visto che entrambi hanno la funzione di regolare una corrente costante. Ma è questo è il punto in cui le caratteristiche di un caricatore per cellulare e di un circuito ottimizzato di pilotaggio Led divergono. Sappiamo che le lampade a incandescenza sono appositamente progettate per una specifica tensione di rete. A questo proposito, nel progetto degli alimentatori per lampade a Led aumentano i gradi di libertà, dal momento che non c'è più bisogno di considerare un sistema di tipo universale che deve funzionare in tutto il mondo con tensioni di alimentazione da 90 a 264 Vac. Inoltre, l'alimentatore della lampada non richiede di essere isolato elettricamente dal carico, visto che è completamente integrato in un unico contenitore. Occorre tuttavia fare attenzione al progetto meccanico dell'involucro per garantire che la tensione di rete non “finisca” accidentalmente sul dissipatore metallico in caso di guasto. Fatto salvo questo aspetto, non è più necessario utilizzare una topologia flyback isolata come l'unica architettura di conversione disponibile nella progettazione di un dispositivo di pilotaggio per lampade interamente a Led. Si tenga presenta che il sistema lampada presenta dei vincoli particolari che devono essere aggiunti all'equazione del progetto. Dentro una lampada integrata vi è pochissimo spazio a disposizione, pertanto le dimensioni assumono un'importanza fondamentale. In secondo luogo, poiché la forma della lampada deve adattarsi al formato tipico delle lampade a incandescenza, la capacità termica dell'involucro necessaria per rimuovere il calore dai Led e pilotare l'elettronica fissa un limite superiore alla dissipazione di potenza. Pertanto, l'efficienza del circuito di pilotaggio deve essere molto elevata per non imporre un limite artificiale alla capacità di generazione luminosa della lampada. Infine, c'è il requisito di un elevato fattore di potenza per il quale in Energy Saving Trust hanno stabilito un obiettivo a lungo termine non inferiore a 0,9 per le lampade a Led integrate. Sebbene gli obiettivi siano più impellenti per il mercato inglese rispetto alla maggior parte dei paesi, questo requisito è già rispettato in Corea del Sud, dove il fattore di potenza minimo è stabilito a 0,9 per lampade con potenza di ingresso superiore a 5 W.
Topologie a confronto
La configurazione più comune per ottenere un elevato fattore di potenza è la topologia “boost” e negli impianti di illuminazione commerciale ad alta potenza, un convertitore boost è inserito a monte dello stadio principale di conversione della potenza. Questa topologia a due stadi produce ulteriori perdite di conversione e impone la necessità di avere un numero maggiore di componenti, ma è una soluzione ampiamente accettabile nelle applicazioni ad alta potenza. Sfortunatamente, questo approccio non è rimodulabile per gli impianti di illuminazione a bassa potenza, dove è necessario ricorrere ad altre topologie. Una topologia buck può essere ottimizzata per dare un buon fattore di potenza entro determinati limiti. Si ricorda che se il fattore di potenza è elevato, la corrente di ingresso coincide con la corrente di linea e aumenta in modo proporzionale alla tensione di linea raddrizzata. Lo svantaggio del convertitore buck è che nessuna corrente scorre finché Vin non supera Vout, ecco perché è importante che, rispetto alla tensione di rete, la tensione della stringa di Led deve essere relativamente bassa. Questo non è un problema per le lampade a basso consumo, visto che nella maggior parte dei casi il numero di Led in serie è relativamente basso. Ad esempio, 10 Led in serie forniscono circa 31 V, che rappresenta meno del 10% della tensione di picco di un ingresso Vac a 240 Vac raddrizzato.
Una topologia di convertitori boost ad elevato fattore di potenza è quella con controllo a tempo di conduzione fisso (fixed on time) in cui il ciclo di commutazione riparte quando la corrente che attraversa l'induttore raggiunge lo zero. Per controllare l'erogazione della potenza si utilizza un circuito di retroazione per regolare il tempo di conduzione. Lo stesso sistema può essere adattato a una topologia buck e può essere migliorato con una variante. Una caratteristica del controllo con tempo di conduzione fisso è che la corrente che attraversa l'induttore e il commutatore aumenta proporzionalmente con la linea di alimentazione, producendo un fattore di potenza quasi perfetto, con l'unico svantaggio che la corrente di picco può essere molto elevata nel punto più alto del ciclo di commutazione. Nel caso della lampadina, non è richiesto un fattore di potenza ideale, pertanto se la corrente di picco è limitata durante una porzione del ciclo di commutazione, fattori di potenza superiori a 0,9 possono essere ottenuti con perdite ridotte nel commutatore e nell'induttore e ciò contribuisce a raggiungere una maggiore efficienza di conversione e a limitare le dimensioni dell'induttore. Ciò crea tipicamente una corrente di linea che non ha molto l'aspetto di una sinusoide. Ma questa forma d'onda può presentare un fattore di potenza superiore a 0,9 anche se a costo di una maggiore distorsione.
Un controller per la topologia ibrida
Esaminando lo schema elettrico, il primo punto che emerge è che i Led sono collegati alla linea ad alta tensione mentre l'interruttore di alimentazione è collegato verso massa. Questa configurazione prende il nome di “buck inverso o invertito” e semplifica l'architettura dal momento che la corrente di picco che attraversa l'induttore e i Led può essere rilevata direttamente e, per pilotare il Fet, non occorre alcun traslatore di livello. Dopo che il controllore inizia a commutare, il circuito di pilotaggio viene polarizzato da un avvolgimento ausiliario presente sull'induttore che in realtà svolge due funzioni perché è anche utilizzato per determinare quando la corrente nell'induttore scende a zero, indicando che deve iniziare un nuovo ciclo di commutazione. Una tensione precisa di 485 mV (con una tolleranza tipica del ±2%) si usa per regolare accuratamente la corrente di picco attraverso l'interruttore. Quando Vin supera la Vf, di carico del Led, si utilizza il controllo a tempo di conduzione fisso per regolare l'alimentazione dei Led finché non si raggiunge il limite della corrente di picco rilevato da Rsense. Per controllare la potenza erogata, se la linea in alternata cambia rispetto al valore nominale, si usa una compensazione feedforward per cambiare il tempo di conduzione. Nella fase di progetto, il tempo che il controller funziona con regolazione a tempo di conduzione fissa rispetto a quello regolato dalla corrente di picco può essere modificato per migliorare la precisione di regolazione della corrente, l'efficienza generale, il fattore di potenza e le dimensioni dell'induttore. È stato realizzato un sistema di prova per un circuito di pilotaggio da 18 W nominali, adatto ad essere integrato in un sistema a Led destinato a sostituire una lampada di classe A da 75 W, basato sul pilotaggio di una stringa di 8 Led da 750 mA, con un ripple nominale in uscita inferiore a ±30%.
Efficienza in continuo miglioramento
Come si è visto per un'architettura ottimizzata, è possibile risolvere il difficile enigma di ottenere un'elevata potenza in un formato compatto, pur riuscendo a rispettare l'obiettivo a lungo termine stabilito da Energy Saving Trust di un fattore di potenza superiore a 0,9 per le lampade integrate a Led. L'efficienza può essere ulteriormente migliorata fino a superare il 90% con la stessa potenza e pilotando le stringhe di Led con una più elevata tensione diretta e una più bassa corrente. Come per un'architettura basata su controllore, l'approccio fondamentale di progetto può essere rimodulato verso il basso per applicazioni a più bassa potenza, cambiando il Mosfet e riducendo le dimensioni dell'induttore. Questo è un punto cruciale poiché l'efficienza delle lampade a Led continuerà a migliorare nell'immediato futuro, man mano che i costruttori riusciranno ad aumentare i lumen prodotti, richiedendo meno Led a parità di luminanza - con conseguente risparmio energetico - riducendo il costo delle lampade integrali e aumentandone la diffusione sul mercato.
